熱風炉の燃焼制御方法および燃焼制御装置
【課題】より少ない投入熱量で珪石レンガの温度を下限温度以上に保持すること。
【解決手段】燃焼制御装置１０５が、送風期終了時の珪石レンガ下部の温度を計測し、計測された珪石レンガ下部の温度が下限温度未満である場合、蓄熱室への投入熱量を変化させることなく、送風期に引き続く燃焼期の際に供給する燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させる。これにより、蓄熱室への投入熱量を変化させることなく、珪石レンガ下部の温度を下限温度以上に保持することができる。また、蓄熱室への投入熱量を一定に保持しているので、燃焼期終了時のドーム部の温度が上昇することを抑制できる。さらに、熱風炉全体として必要な熱量は珪石レンガに付いているために、所望温度の熱風の送風を維持することができる。
【解決手段】燃焼制御装置１０５が、送風期終了時の珪石レンガ下部の温度を計測し、計測された珪石レンガ下部の温度が下限温度未満である場合、蓄熱室への投入熱量を変化させることなく、送風期に引き続く燃焼期の際に供給する燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させる。これにより、蓄熱室への投入熱量を変化させることなく、珪石レンガ下部の温度を下限温度以上に保持することができる。また、蓄熱室への投入熱量を一定に保持しているので、燃焼期終了時のドーム部の温度が上昇することを抑制できる。さらに、熱風炉全体として必要な熱量は珪石レンガに付いているために、所望温度の熱風の送風を維持することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉に熱風を供給する熱風炉の燃焼制御方法および燃焼制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱風炉は、燃焼期において、燃焼ガスにより炉内の蓄熱部を昇温させて熱エネルギーを蓄積し、燃焼期に引き続く送風期において、炉内に冷風を通して蓄熱部との熱交換によって熱風を生成し、生成された熱風を高炉に供給する設備である。このような熱風炉では、燃焼期には、引き続く送風期の間、所望の熱風温度を確保するために必要な熱量を蓄熱部に投入する必要がある。しかしながら、省エネルギーと炭酸ガス排出量の削減とを実現するためには、蓄熱部への投入熱量を極力抑えることが望ましい。
【０００３】
一方、蓄熱部を構成する珪石レンガは、変態点温度である５７３℃より温度が低下すると急激に膨張し、崩壊する可能性がある。このため、蓄熱部への投入熱量は、送風期の末期においても珪石レンガの温度が変態点温度以上になるように調整する必要がある。また、設備保護の観点からは、熱風炉の炉頂部であるドーム部をある温度以上に加熱することはできない。このような背景から、従来の熱風炉の燃焼制御方法では、上述の制約条件の下で蓄熱部への必要投入熱量を決定し、燃焼ガスの流量又はカロリーを制御することによって蓄熱部への投入熱量を必要投入熱量に制御していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０２−５７６２８号公報
【特許文献２】特開昭５８−１７７４０６号公報
【特許文献３】特開２００９−８４６３６号公報
【特許文献４】特開２００９−８４６２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の熱風炉の燃焼制御方法では、珪石レンガの温度が変態点温度に基づいて定められた下限温度に近づいた場合、オペレータは、燃焼ガスの流量を増加、換言すれば、蓄熱部への投入熱量を増加させることによって、珪石レンガの温度が下限温度以上になるように制御していた。しかしながら、蓄熱部への投入熱量を増加させた場合には、より多くのエネルギーが消費されることになるために、熱風炉の熱効率が低下する。このため、より少ない投入熱量で珪石レンガの温度を下限温度以上に保持可能な技術の提供が期待されていた。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、より少ない投入熱量で珪石レンガの温度を下限温度以上に保持可能な熱風炉の燃焼制御方法および燃焼制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の発明者らは、鋭意研究を重ねてきた結果、蓄熱室への投入熱量を変化させずに燃焼ガスの流量およびカロリーを調整することによって、燃焼期終了時における燃焼ガスの流れ方向の珪石レンガの熱分布が変化することを知見した。具体的には、本発明の発明者らは、蓄熱室への投入熱量を一定にした状態で燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させた場合には、燃焼ガスの流速が増加するため、主燃焼ポイントが燃焼ガスの流れ方向下流側に移動し、珪石レンガの下部側に熱が付きやすくなることを知見した。
【０００８】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る熱風炉の燃焼制御方法は、燃焼期において、燃焼ガスにより炉内の珪石レンガを昇温させて熱エネルギーを蓄積し、該燃焼期に引き続く送風期において、炉内に冷風を通して珪石レンガとの熱交換によって熱風を生成し、該燃焼期および該送風期を繰り返し実行することによって高炉に熱風を供給する熱風炉の燃焼制御方法であって、前記送風期終了時の珪石レンガの温度を計測する計測ステップと、前記計測ステップにおいて計測された珪石レンガの温度が下限温度未満であるか否かを判別する判別ステップと、前記判別ステップにおいて珪石レンガの温度が下限温度未満であると判別された場合、珪石レンガへの投入熱量を変化させることなく、送風期に引き続く燃焼期の際に供給する燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させる制御ステップと、を含む。
【０００９】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る熱風炉の燃焼制御装置は、燃焼期において、燃焼ガスにより炉内の珪石レンガを昇温させて熱エネルギーを蓄積し、該燃焼期に引き続く送風期において、炉内に冷風を通して珪石レンガとの熱交換によって熱風を生成し、該燃焼期および該送風期を繰り返し実行することによって高炉に熱風を供給する熱風炉の燃焼制御装置であって、前記送風期終了時の珪石レンガの温度を計測する計測手段と、前記計測手段によって計測された珪石レンガの温度が下限温度未満であるか否かを判別する判別手段と、前記判別手段によって珪石レンガの温度が下限温度未満であると判別された場合、珪石レンガへの投入熱量を変化させることなく、送風期に引き続く燃焼期の際に供給する燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させる制御手段と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る熱風炉の燃焼制御方法および燃焼制御装置によれば、より少ない投入熱量で珪石レンガの温度を下限温度以上に保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明が適用される熱風供給システムの構成を示す模式図である。
【図２】図２は、図１に示す熱風炉の構成を示す模式図である。
【図３】図３は、同一の投入熱量の下でベース条件により燃焼−送風サイクルシミュレーションを実行した場合とベース条件に対し燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させて燃焼−送風サイクルシミュレーションを実行した場合とにおける珪石レンガの温度変化を示す図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態である熱風炉の燃焼制御装置の構成を示すブロック図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態である熱風炉の燃焼制御処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である熱風炉の燃焼制御方法および燃焼制御方法について説明する。
【００１３】
〔熱風供給システムの構成〕
始めに、図１，２を参照して、本発明が適用される熱風供給システムの構成について説明する。
【００１４】
図１は、本発明が適用される熱風供給システムの構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明が適用される熱風炉供給システム１は、複数の熱風炉１０を備えている。各熱風炉１０は、燃焼期において、燃焼ガスにより炉内の蓄熱室を昇温させて熱エネルギーを蓄積し、燃焼期に引き続く送風期において、炉内に冷風を通して蓄熱室との熱交換によって熱風を生成し、生成された熱風を高炉２０に供給する。燃焼期および送風期のサイクルを複数の熱風炉１０間でずらし、燃焼期および送風期のサイクルを繰り返し実行することによって、高炉操業において必要な温度および流量の熱風を途切れることなく高炉２０に供給することができる。
【００１５】
図１に示す熱風供給システム１では、通風期において、１つの熱風炉１０のみに冷風を通風する場合と２つの熱風炉１０に同時に冷風を通風する場合とがある。前者では、高炉２０に冷風を供給する混冷バタフライ弁２１と１つの熱風炉１０に冷風を供給する冷風バタフライ弁２２との開度を調整することによって、冷風と熱風とを混合して所望の熱風温度を実現する。一方、後者では、一方の熱風炉１０に冷風を供給する冷風バタフライ弁２２の開度を全開とし、他方の熱風炉１０に冷風を供給する冷風バタフライ弁２２の開度を調整することによって、２つの熱風炉１０からの熱風を混合して所望の熱風温度を実現する。各バタフライ弁の開度は、送風温度計測部２３によって計測される高炉２０の羽口における熱風の温度（送風温度）に基づいて送風温度制御部２４により制御される。
【００１６】
図２は、図１に示す熱風炉１０の構成を示す模式図である。熱風炉１０は、燃焼室１１と蓄熱室１２とを備えている。燃焼室１１は、燃焼期において、燃料ガス供給口１３から供給される燃料ガスと燃焼用空気供給口１４から供給される燃焼用空気とを燃焼させ、ドーム部１５を介して燃焼によって発生した燃焼ガスを蓄熱室１２に供給する。蓄熱室１２の内部には珪石レンガ１６が積まれており、燃焼室１１から供給された燃焼ガスは珪石レンガ１６を加熱する。蓄熱室１２は、燃焼期に引き続く送風期において、冷風供給口１７から内部に冷風を供給し、珪石レンガ１６と冷風との間の熱交換によって熱風を生成する。
【００１７】
〔本発明の概念〕
次に、図３を参照して、本発明の概念について説明する。
【００１８】
図３は、同一の投入熱量の下でベース条件により燃焼−送風サイクルシミュレーションを実行した場合とベース条件に対し燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させて燃焼−送風サイクルシミュレーションを実行した場合とにおける珪石レンガの温度変化を示す図である。なお、熱風炉は、時定数が大きい系、換言すれば、投入熱量を変化させてから温度から定常的に安定するためには数サイクルを要するために、今回は同じ燃焼−送風サイクルシミュレーションを３回繰り返した結果を用いる。すなわち、図３に示す珪石レンガの温度変化は３回目の燃焼−送風サイクルシミュレーションの結果を示している。
【００１９】
また、燃焼−送風サイクルシミュレーションは、伝熱モデルを使用する熱風炉シミュレータを用いて行った。このシミュレータは、燃焼期においては蓄熱室内部の珪石レンガと燃焼ガスとの間の熱交換計算、送風期においては珪石レンガと冷風との間の熱交換計算を行う。熱交換計算の方法は本発明の出願時点で既に公知であるので、その詳細な説明は省略する。また、本シミュレーションでは、珪石レンガの初期温度は６００℃とし、燃焼ガスの流量はベース条件に対しＡ［ｋＮｍ３／ｈ］増加させ、燃焼ガスのカロリーはベース条件に対しＢ［ＧＪ］減少させた。
【００２０】
図３に示す線分Ｌ１は、ベース条件で燃焼−送風サイクルシミュレーションを実行した場合の珪石レンガの温度変化を示し、線分Ｌ２は、ベース条件に対し燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させて燃焼−送風サイクルシミュレーションを実行した場合の珪石レンガの温度変化を示している。図３に示すように、ベース条件に対し燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させた場合、燃焼期終了後の珪石レンガの温度がベース条件と比較してＣ［℃］上昇している。
【００２１】
上記のシミュレーション結果は、蓄熱室への投入熱量を変化させなくても燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させることによって珪石レンガの温度を上昇できることを意味している。これは、蓄熱室への投入熱量を一定にした状態で燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させた場合、燃焼ガスの流速が増加するため、主燃焼ポイントが燃焼ガスの流れ方向下流側に移動し、珪石レンガ下部１６ａ（図２参照）側に熱が付きやすくなったためと考えられる。従って、燃焼ガスの流量およびカロリーの変更量と珪石レンガの温度変化量との関係を予め算出しておき、この関係に基づいて燃焼ガスの流量およびカロリーを変更することによって、蓄熱室への投入熱量を変更することなく珪石レンガの温度を上昇できる。
【００２２】
例えば、珪石レンガの下限温度をＤ［℃］とし、送風期終了時の珪石レンガの温度をＥ［℃］とすると、送風期終了時の珪石レンガの温度Ｅが珪石レンガの下限温度Ｄ未満になる場合には、以下に示す数式（１），（２）によって表される燃焼ガスの流量およびカロリーの変更量を算出し、算出された変更量を現在の燃焼ガスの流量およびカロリーの設定値に加算することによって、送風期終了時の珪石レンガの温度Ｅが珪石レンガの下限温度未満になることを抑制できる。
【００２３】
【数１】
【数２】
【００２４】
なお、送風期終了時の珪石レンガの温度Ｅが珪石レンガの下限温度Ｄ以上である場合には、以下に示す数式（３），（４）のように、燃焼ガスの流量およびカロリーの変更量は０とし、燃焼ガスの流量およびカロリーを現在の設定値に保持すればよい。但し、燃焼ガスの流量およびカロリーの絶対量には設備上の制約があるために、燃焼ガスの流量およびカロリーの変更量には上下限値を設けることが望ましい。また、珪石レンガの温度が高すぎる場合には、逆の操作、すなわち同一投入熱量の下で燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ減少および増加させることによって、次に珪石レンガの温度が低下した時に対応可能なようにしておくことが望ましい。
【００２５】
【数３】
【数４】
【００２６】
〔燃焼制御システムの構成〕
次に、図４を参照して、上記本発明の概念に基づいて想到された本発明の一実施形態である熱風炉の燃焼制御システムの構成について説明する。
【００２７】
図４は、本発明の一実施形態である熱風炉の燃焼制御システムの構成を示すブロック図である。図４に示すように、本発明の一実施形態である燃焼制御システム１００は、レンガ温度計測部１０１、ガス流量計測部１０２、ガスカロリー計測部１０３、設定情報記憶部１０４、燃焼制御装置１０５、ガス流量調整弁１０６、およびガスカロリー調整弁１０７を備えている。
【００２８】
レンガ温度計測部１０１は、珪石レンガ下部１６ａ（図２参照）の温度を計測し、計測された温度信号を燃焼制御装置１０５に出力するものである。ガス流量計測部１０２は、燃焼ガスの流量設定値を検出し、検出された流量設定値を示す信号を燃焼制御装置１０５に出力するものである。ガスカロリー計測部１０３は、燃焼ガスのカロリー設定値を検出し、検出されたカロリー設定値を示す信号を燃焼制御装置１０５に出力するものである。
【００２９】
設定情報記憶部１０４は、数式（１），（２）に示すような燃焼ガスの流量およびカロリーの変更量と珪石レンガの温度変化量との関係を示す関係式に関するデータおよび珪石レンガの下限温度に関するデータを記憶する。なお、燃焼ガスの流量およびカロリーの変更量と珪石レンガの温度変化量との関係を示す関係式は、上述の燃焼−送風シミュレーションの他に、実際の熱風炉から得られた実験データから求めるようにしてもよい。
【００３０】
燃焼制御装置１０５は、パーソナルコンピュータやマイクロコンピュータなどの情報処理装置によって構成されている。燃焼制御装置１０５は、レンガ温度計測部１０１、ガス流量計測部１０２、およびガスカロリー計測部１０３から入力された情報と設定情報記憶部１０４に記憶されている情報とを用いて、珪石レンガ下部１６ａの温度が下限温度以上になるようにガス流量調整弁１０６およびガスカロリー調整弁１０７を制御する。
【００３１】
ガス流量調整弁１０６は、燃焼制御装置１０５からの制御信号に従って燃料ガス供給口１３から燃焼室１１に供給される燃料ガスの流量を制御することによって燃焼ガスの流量を制御する。ガスカロリー調整弁１０７は、カロリーが異なる燃焼ガスＡおよび燃焼ガスＢの混合比を調整することによって燃料ガス供給口１３から燃焼室１１に供給される燃料ガスのカロリーを制御することによって燃焼ガスのカロリーを制御する。
【００３２】
このような構成を有する燃焼制御システム１００は、以下に示す燃焼制御処理を実行することによって、蓄熱室１２への投入熱量を変更することなく珪石レンガ下部１６ａの温度を下限温度以上に保持する。以下、図５に示すフローチャートを参照して、この燃焼制御処理を実行する際の燃焼制御システム１００の動作について説明する。
【００３３】
〔燃焼制御処理〕
図５は、本発明の一実施形態である熱風炉の燃焼制御処理の流れを示すフローチャートである。図５に示すフローチャートは、熱風供給システム１の操業が開始されたタイミングで開始となり、この燃焼制御処理はステップＳ１の処理に進む。この燃焼制御処理は所定の制御周期毎に繰り返し実行される。
【００３４】
ステップＳ１の処理では、燃焼制御装置１０５が、レンガ温度計測部１０１を介して送風期終了時における珪石レンガ下部１６ａの温度を計測する。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、燃焼制御処理はステップＳ２の処理に進む。
【００３５】
ステップＳ２の処理では、燃焼制御装置１０５が、設定情報記憶部１０４から珪石レンガ下部１６ａの下限温度のデータを読み出し、ステップＳ１の処理によって計測された珪石レンガ下部１６ａの温度が下限温度未満であるか否かを判別する。判別の結果、珪石レンガ下部１６ａの温度が下限温度以上である場合、燃焼制御装置１０５は一連の燃焼制御処理を終了する。一方、珪石レンガ下部１６ａの温度が下限温度未満である場合には、燃焼制御装置１０５は燃焼制御処理をステップＳ３の処理に進める。
【００３６】
ステップＳ３の処理では、燃焼制御装置１０５が、設定情報記憶部１０４から燃焼ガスの流量およびカロリーの変更量と珪石レンガの温度変化量との関係を示す関係式のデータを読み出し、読み出された関係式を用いて珪石レンガ下部１６ａの温度が下限温度以上になる燃焼ガスの流量およびカロリーの変更量を算出する。具体的には、燃焼制御装置１０５は、珪石レンガ下部１６ａの温度と下限温度との差分温度を算出し、算出された差分温度分だけ珪石レンガの温度を上昇させるために必要な燃焼ガスの流量およびカロリーを算出する。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、燃焼制御処理はステップＳ４の処理に進む。
【００３７】
ステップＳ４の処理では、燃焼制御装置１０５が、ガス流量計測部１０２およびガスカロリー計測部１０３を介して燃焼ガスの流量設定値およびカロリー設定値を検出する。燃焼制御装置１０５は、燃焼ガスの流量設定値およびカロリー設定値にそれぞれステップＳ３の処理によって算出された燃焼ガスの流量およびカロリーの変更量を加算した値を燃焼ガスの新たな流量設定値およびカロリー設定値として算出する。そして、燃焼制御装置１０５は、燃焼ガスの流量およびカロリーが新たな流量設定値およびカロリー設定値になるようにガス流量調整弁１０６およびガスカロリー調整弁１０７を制御する。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、一連の燃焼制御処理は終了する。
【００３８】
以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である燃焼制御処理では、燃焼制御装置１０５が、送風期終了時の珪石レンガ下部１６ａの温度を計測し、計測された珪石レンガ下部１６ａの温度が下限温度未満である場合、送風期に引き続く燃焼期の際に供給する燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させるので、蓄熱室１２への投入熱量を変化させることなく、珪石レンガ下部１６ａの温度を下限温度以上に保持することができる。また、蓄熱室１２への投入熱量を一定に保持しているので、燃焼期終了時のドーム部１５の温度が上昇することを抑制できる。さらに、熱風炉１０全体として必要な熱量は珪石レンガ１６に付いているために、所望温度の熱風の送風を維持することができる。
【００３９】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述および図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者などによりなされる他の実施の形態、実施例、および運用技術などは全て本発明の範疇に含まれる。
【符号の説明】
【００４０】
１ 熱風炉供給システム
１０ 熱風炉
１１ 燃焼室
１２ 蓄熱室
１３ 燃料ガス供給口
１４ 燃焼用空気供給口
１５ ドーム部
１６ 珪石レンガ
１６ａ 珪石レンガ下部
１７ 冷風供給口
２０ 高炉
２１ 混冷バタフライ弁
２２ 冷風バタフライ弁
２３ 送風温度計測部
２４ 送風温度制御部
１００ 燃焼制御システム
１０１ レンガ温度計測部
１０２ ガス流量計測部
１０３ ガスカロリー計測部
１０４ 設定情報記憶部
１０５ 燃焼制御装置
１０６ ガス流量調整弁
１０７ ガスカロリー調整弁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉に熱風を供給する熱風炉の燃焼制御方法および燃焼制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱風炉は、燃焼期において、燃焼ガスにより炉内の蓄熱部を昇温させて熱エネルギーを蓄積し、燃焼期に引き続く送風期において、炉内に冷風を通して蓄熱部との熱交換によって熱風を生成し、生成された熱風を高炉に供給する設備である。このような熱風炉では、燃焼期には、引き続く送風期の間、所望の熱風温度を確保するために必要な熱量を蓄熱部に投入する必要がある。しかしながら、省エネルギーと炭酸ガス排出量の削減とを実現するためには、蓄熱部への投入熱量を極力抑えることが望ましい。
【０００３】
一方、蓄熱部を構成する珪石レンガは、変態点温度である５７３℃より温度が低下すると急激に膨張し、崩壊する可能性がある。このため、蓄熱部への投入熱量は、送風期の末期においても珪石レンガの温度が変態点温度以上になるように調整する必要がある。また、設備保護の観点からは、熱風炉の炉頂部であるドーム部をある温度以上に加熱することはできない。このような背景から、従来の熱風炉の燃焼制御方法では、上述の制約条件の下で蓄熱部への必要投入熱量を決定し、燃焼ガスの流量又はカロリーを制御することによって蓄熱部への投入熱量を必要投入熱量に制御していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０２−５７６２８号公報
【特許文献２】特開昭５８−１７７４０６号公報
【特許文献３】特開２００９−８４６３６号公報
【特許文献４】特開２００９−８４６２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の熱風炉の燃焼制御方法では、珪石レンガの温度が変態点温度に基づいて定められた下限温度に近づいた場合、オペレータは、燃焼ガスの流量を増加、換言すれば、蓄熱部への投入熱量を増加させることによって、珪石レンガの温度が下限温度以上になるように制御していた。しかしながら、蓄熱部への投入熱量を増加させた場合には、より多くのエネルギーが消費されることになるために、熱風炉の熱効率が低下する。このため、より少ない投入熱量で珪石レンガの温度を下限温度以上に保持可能な技術の提供が期待されていた。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、より少ない投入熱量で珪石レンガの温度を下限温度以上に保持可能な熱風炉の燃焼制御方法および燃焼制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の発明者らは、鋭意研究を重ねてきた結果、蓄熱室への投入熱量を変化させずに燃焼ガスの流量およびカロリーを調整することによって、燃焼期終了時における燃焼ガスの流れ方向の珪石レンガの熱分布が変化することを知見した。具体的には、本発明の発明者らは、蓄熱室への投入熱量を一定にした状態で燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させた場合には、燃焼ガスの流速が増加するため、主燃焼ポイントが燃焼ガスの流れ方向下流側に移動し、珪石レンガの下部側に熱が付きやすくなることを知見した。
【０００８】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る熱風炉の燃焼制御方法は、燃焼期において、燃焼ガスにより炉内の珪石レンガを昇温させて熱エネルギーを蓄積し、該燃焼期に引き続く送風期において、炉内に冷風を通して珪石レンガとの熱交換によって熱風を生成し、該燃焼期および該送風期を繰り返し実行することによって高炉に熱風を供給する熱風炉の燃焼制御方法であって、前記送風期終了時の珪石レンガの温度を計測する計測ステップと、前記計測ステップにおいて計測された珪石レンガの温度が下限温度未満であるか否かを判別する判別ステップと、前記判別ステップにおいて珪石レンガの温度が下限温度未満であると判別された場合、珪石レンガへの投入熱量を変化させることなく、送風期に引き続く燃焼期の際に供給する燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させる制御ステップと、を含む。
【０００９】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る熱風炉の燃焼制御装置は、燃焼期において、燃焼ガスにより炉内の珪石レンガを昇温させて熱エネルギーを蓄積し、該燃焼期に引き続く送風期において、炉内に冷風を通して珪石レンガとの熱交換によって熱風を生成し、該燃焼期および該送風期を繰り返し実行することによって高炉に熱風を供給する熱風炉の燃焼制御装置であって、前記送風期終了時の珪石レンガの温度を計測する計測手段と、前記計測手段によって計測された珪石レンガの温度が下限温度未満であるか否かを判別する判別手段と、前記判別手段によって珪石レンガの温度が下限温度未満であると判別された場合、珪石レンガへの投入熱量を変化させることなく、送風期に引き続く燃焼期の際に供給する燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させる制御手段と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る熱風炉の燃焼制御方法および燃焼制御装置によれば、より少ない投入熱量で珪石レンガの温度を下限温度以上に保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明が適用される熱風供給システムの構成を示す模式図である。
【図２】図２は、図１に示す熱風炉の構成を示す模式図である。
【図３】図３は、同一の投入熱量の下でベース条件により燃焼−送風サイクルシミュレーションを実行した場合とベース条件に対し燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させて燃焼−送風サイクルシミュレーションを実行した場合とにおける珪石レンガの温度変化を示す図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態である熱風炉の燃焼制御装置の構成を示すブロック図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態である熱風炉の燃焼制御処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である熱風炉の燃焼制御方法および燃焼制御方法について説明する。
【００１３】
〔熱風供給システムの構成〕
始めに、図１，２を参照して、本発明が適用される熱風供給システムの構成について説明する。
【００１４】
図１は、本発明が適用される熱風供給システムの構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明が適用される熱風炉供給システム１は、複数の熱風炉１０を備えている。各熱風炉１０は、燃焼期において、燃焼ガスにより炉内の蓄熱室を昇温させて熱エネルギーを蓄積し、燃焼期に引き続く送風期において、炉内に冷風を通して蓄熱室との熱交換によって熱風を生成し、生成された熱風を高炉２０に供給する。燃焼期および送風期のサイクルを複数の熱風炉１０間でずらし、燃焼期および送風期のサイクルを繰り返し実行することによって、高炉操業において必要な温度および流量の熱風を途切れることなく高炉２０に供給することができる。
【００１５】
図１に示す熱風供給システム１では、通風期において、１つの熱風炉１０のみに冷風を通風する場合と２つの熱風炉１０に同時に冷風を通風する場合とがある。前者では、高炉２０に冷風を供給する混冷バタフライ弁２１と１つの熱風炉１０に冷風を供給する冷風バタフライ弁２２との開度を調整することによって、冷風と熱風とを混合して所望の熱風温度を実現する。一方、後者では、一方の熱風炉１０に冷風を供給する冷風バタフライ弁２２の開度を全開とし、他方の熱風炉１０に冷風を供給する冷風バタフライ弁２２の開度を調整することによって、２つの熱風炉１０からの熱風を混合して所望の熱風温度を実現する。各バタフライ弁の開度は、送風温度計測部２３によって計測される高炉２０の羽口における熱風の温度（送風温度）に基づいて送風温度制御部２４により制御される。
【００１６】
図２は、図１に示す熱風炉１０の構成を示す模式図である。熱風炉１０は、燃焼室１１と蓄熱室１２とを備えている。燃焼室１１は、燃焼期において、燃料ガス供給口１３から供給される燃料ガスと燃焼用空気供給口１４から供給される燃焼用空気とを燃焼させ、ドーム部１５を介して燃焼によって発生した燃焼ガスを蓄熱室１２に供給する。蓄熱室１２の内部には珪石レンガ１６が積まれており、燃焼室１１から供給された燃焼ガスは珪石レンガ１６を加熱する。蓄熱室１２は、燃焼期に引き続く送風期において、冷風供給口１７から内部に冷風を供給し、珪石レンガ１６と冷風との間の熱交換によって熱風を生成する。
【００１７】
〔本発明の概念〕
次に、図３を参照して、本発明の概念について説明する。
【００１８】
図３は、同一の投入熱量の下でベース条件により燃焼−送風サイクルシミュレーションを実行した場合とベース条件に対し燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させて燃焼−送風サイクルシミュレーションを実行した場合とにおける珪石レンガの温度変化を示す図である。なお、熱風炉は、時定数が大きい系、換言すれば、投入熱量を変化させてから温度から定常的に安定するためには数サイクルを要するために、今回は同じ燃焼−送風サイクルシミュレーションを３回繰り返した結果を用いる。すなわち、図３に示す珪石レンガの温度変化は３回目の燃焼−送風サイクルシミュレーションの結果を示している。
【００１９】
また、燃焼−送風サイクルシミュレーションは、伝熱モデルを使用する熱風炉シミュレータを用いて行った。このシミュレータは、燃焼期においては蓄熱室内部の珪石レンガと燃焼ガスとの間の熱交換計算、送風期においては珪石レンガと冷風との間の熱交換計算を行う。熱交換計算の方法は本発明の出願時点で既に公知であるので、その詳細な説明は省略する。また、本シミュレーションでは、珪石レンガの初期温度は６００℃とし、燃焼ガスの流量はベース条件に対しＡ［ｋＮｍ３／ｈ］増加させ、燃焼ガスのカロリーはベース条件に対しＢ［ＧＪ］減少させた。
【００２０】
図３に示す線分Ｌ１は、ベース条件で燃焼−送風サイクルシミュレーションを実行した場合の珪石レンガの温度変化を示し、線分Ｌ２は、ベース条件に対し燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させて燃焼−送風サイクルシミュレーションを実行した場合の珪石レンガの温度変化を示している。図３に示すように、ベース条件に対し燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させた場合、燃焼期終了後の珪石レンガの温度がベース条件と比較してＣ［℃］上昇している。
【００２１】
上記のシミュレーション結果は、蓄熱室への投入熱量を変化させなくても燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させることによって珪石レンガの温度を上昇できることを意味している。これは、蓄熱室への投入熱量を一定にした状態で燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させた場合、燃焼ガスの流速が増加するため、主燃焼ポイントが燃焼ガスの流れ方向下流側に移動し、珪石レンガ下部１６ａ（図２参照）側に熱が付きやすくなったためと考えられる。従って、燃焼ガスの流量およびカロリーの変更量と珪石レンガの温度変化量との関係を予め算出しておき、この関係に基づいて燃焼ガスの流量およびカロリーを変更することによって、蓄熱室への投入熱量を変更することなく珪石レンガの温度を上昇できる。
【００２２】
例えば、珪石レンガの下限温度をＤ［℃］とし、送風期終了時の珪石レンガの温度をＥ［℃］とすると、送風期終了時の珪石レンガの温度Ｅが珪石レンガの下限温度Ｄ未満になる場合には、以下に示す数式（１），（２）によって表される燃焼ガスの流量およびカロリーの変更量を算出し、算出された変更量を現在の燃焼ガスの流量およびカロリーの設定値に加算することによって、送風期終了時の珪石レンガの温度Ｅが珪石レンガの下限温度未満になることを抑制できる。
【００２３】
【数１】
【数２】
【００２４】
なお、送風期終了時の珪石レンガの温度Ｅが珪石レンガの下限温度Ｄ以上である場合には、以下に示す数式（３），（４）のように、燃焼ガスの流量およびカロリーの変更量は０とし、燃焼ガスの流量およびカロリーを現在の設定値に保持すればよい。但し、燃焼ガスの流量およびカロリーの絶対量には設備上の制約があるために、燃焼ガスの流量およびカロリーの変更量には上下限値を設けることが望ましい。また、珪石レンガの温度が高すぎる場合には、逆の操作、すなわち同一投入熱量の下で燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ減少および増加させることによって、次に珪石レンガの温度が低下した時に対応可能なようにしておくことが望ましい。
【００２５】
【数３】
【数４】
【００２６】
〔燃焼制御システムの構成〕
次に、図４を参照して、上記本発明の概念に基づいて想到された本発明の一実施形態である熱風炉の燃焼制御システムの構成について説明する。
【００２７】
図４は、本発明の一実施形態である熱風炉の燃焼制御システムの構成を示すブロック図である。図４に示すように、本発明の一実施形態である燃焼制御システム１００は、レンガ温度計測部１０１、ガス流量計測部１０２、ガスカロリー計測部１０３、設定情報記憶部１０４、燃焼制御装置１０５、ガス流量調整弁１０６、およびガスカロリー調整弁１０７を備えている。
【００２８】
レンガ温度計測部１０１は、珪石レンガ下部１６ａ（図２参照）の温度を計測し、計測された温度信号を燃焼制御装置１０５に出力するものである。ガス流量計測部１０２は、燃焼ガスの流量設定値を検出し、検出された流量設定値を示す信号を燃焼制御装置１０５に出力するものである。ガスカロリー計測部１０３は、燃焼ガスのカロリー設定値を検出し、検出されたカロリー設定値を示す信号を燃焼制御装置１０５に出力するものである。
【００２９】
設定情報記憶部１０４は、数式（１），（２）に示すような燃焼ガスの流量およびカロリーの変更量と珪石レンガの温度変化量との関係を示す関係式に関するデータおよび珪石レンガの下限温度に関するデータを記憶する。なお、燃焼ガスの流量およびカロリーの変更量と珪石レンガの温度変化量との関係を示す関係式は、上述の燃焼−送風シミュレーションの他に、実際の熱風炉から得られた実験データから求めるようにしてもよい。
【００３０】
燃焼制御装置１０５は、パーソナルコンピュータやマイクロコンピュータなどの情報処理装置によって構成されている。燃焼制御装置１０５は、レンガ温度計測部１０１、ガス流量計測部１０２、およびガスカロリー計測部１０３から入力された情報と設定情報記憶部１０４に記憶されている情報とを用いて、珪石レンガ下部１６ａの温度が下限温度以上になるようにガス流量調整弁１０６およびガスカロリー調整弁１０７を制御する。
【００３１】
ガス流量調整弁１０６は、燃焼制御装置１０５からの制御信号に従って燃料ガス供給口１３から燃焼室１１に供給される燃料ガスの流量を制御することによって燃焼ガスの流量を制御する。ガスカロリー調整弁１０７は、カロリーが異なる燃焼ガスＡおよび燃焼ガスＢの混合比を調整することによって燃料ガス供給口１３から燃焼室１１に供給される燃料ガスのカロリーを制御することによって燃焼ガスのカロリーを制御する。
【００３２】
このような構成を有する燃焼制御システム１００は、以下に示す燃焼制御処理を実行することによって、蓄熱室１２への投入熱量を変更することなく珪石レンガ下部１６ａの温度を下限温度以上に保持する。以下、図５に示すフローチャートを参照して、この燃焼制御処理を実行する際の燃焼制御システム１００の動作について説明する。
【００３３】
〔燃焼制御処理〕
図５は、本発明の一実施形態である熱風炉の燃焼制御処理の流れを示すフローチャートである。図５に示すフローチャートは、熱風供給システム１の操業が開始されたタイミングで開始となり、この燃焼制御処理はステップＳ１の処理に進む。この燃焼制御処理は所定の制御周期毎に繰り返し実行される。
【００３４】
ステップＳ１の処理では、燃焼制御装置１０５が、レンガ温度計測部１０１を介して送風期終了時における珪石レンガ下部１６ａの温度を計測する。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、燃焼制御処理はステップＳ２の処理に進む。
【００３５】
ステップＳ２の処理では、燃焼制御装置１０５が、設定情報記憶部１０４から珪石レンガ下部１６ａの下限温度のデータを読み出し、ステップＳ１の処理によって計測された珪石レンガ下部１６ａの温度が下限温度未満であるか否かを判別する。判別の結果、珪石レンガ下部１６ａの温度が下限温度以上である場合、燃焼制御装置１０５は一連の燃焼制御処理を終了する。一方、珪石レンガ下部１６ａの温度が下限温度未満である場合には、燃焼制御装置１０５は燃焼制御処理をステップＳ３の処理に進める。
【００３６】
ステップＳ３の処理では、燃焼制御装置１０５が、設定情報記憶部１０４から燃焼ガスの流量およびカロリーの変更量と珪石レンガの温度変化量との関係を示す関係式のデータを読み出し、読み出された関係式を用いて珪石レンガ下部１６ａの温度が下限温度以上になる燃焼ガスの流量およびカロリーの変更量を算出する。具体的には、燃焼制御装置１０５は、珪石レンガ下部１６ａの温度と下限温度との差分温度を算出し、算出された差分温度分だけ珪石レンガの温度を上昇させるために必要な燃焼ガスの流量およびカロリーを算出する。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、燃焼制御処理はステップＳ４の処理に進む。
【００３７】
ステップＳ４の処理では、燃焼制御装置１０５が、ガス流量計測部１０２およびガスカロリー計測部１０３を介して燃焼ガスの流量設定値およびカロリー設定値を検出する。燃焼制御装置１０５は、燃焼ガスの流量設定値およびカロリー設定値にそれぞれステップＳ３の処理によって算出された燃焼ガスの流量およびカロリーの変更量を加算した値を燃焼ガスの新たな流量設定値およびカロリー設定値として算出する。そして、燃焼制御装置１０５は、燃焼ガスの流量およびカロリーが新たな流量設定値およびカロリー設定値になるようにガス流量調整弁１０６およびガスカロリー調整弁１０７を制御する。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、一連の燃焼制御処理は終了する。
【００３８】
以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である燃焼制御処理では、燃焼制御装置１０５が、送風期終了時の珪石レンガ下部１６ａの温度を計測し、計測された珪石レンガ下部１６ａの温度が下限温度未満である場合、送風期に引き続く燃焼期の際に供給する燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させるので、蓄熱室１２への投入熱量を変化させることなく、珪石レンガ下部１６ａの温度を下限温度以上に保持することができる。また、蓄熱室１２への投入熱量を一定に保持しているので、燃焼期終了時のドーム部１５の温度が上昇することを抑制できる。さらに、熱風炉１０全体として必要な熱量は珪石レンガ１６に付いているために、所望温度の熱風の送風を維持することができる。
【００３９】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述および図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者などによりなされる他の実施の形態、実施例、および運用技術などは全て本発明の範疇に含まれる。
【符号の説明】
【００４０】
１ 熱風炉供給システム
１０ 熱風炉
１１ 燃焼室
１２ 蓄熱室
１３ 燃料ガス供給口
１４ 燃焼用空気供給口
１５ ドーム部
１６ 珪石レンガ
１６ａ 珪石レンガ下部
１７ 冷風供給口
２０ 高炉
２１ 混冷バタフライ弁
２２ 冷風バタフライ弁
２３ 送風温度計測部
２４ 送風温度制御部
１００ 燃焼制御システム
１０１ レンガ温度計測部
１０２ ガス流量計測部
１０３ ガスカロリー計測部
１０４ 設定情報記憶部
１０５ 燃焼制御装置
１０６ ガス流量調整弁
１０７ ガスカロリー調整弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼期において、燃焼ガスにより炉内の珪石レンガを昇温させて熱エネルギーを蓄積し、該燃焼期に引き続く送風期において、炉内に冷風を通して珪石レンガとの熱交換によって熱風を生成し、該燃焼期および該送風期を繰り返し実行することによって高炉に熱風を供給する熱風炉の燃焼制御方法であって、
前記送風期終了時の珪石レンガの温度を計測する計測ステップと、
前記計測ステップにおいて計測された珪石レンガの温度が下限温度未満であるか否かを判別する判別ステップと、
前記判別ステップにおいて珪石レンガの温度が下限温度未満であると判別された場合、珪石レンガへの投入熱量を変化させることなく、送風期に引き続く燃焼期の際に供給する燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させる制御ステップと、
を含むことを特徴とする熱風炉の燃焼制御方法。
【請求項２】
燃焼期において、燃焼ガスにより炉内の珪石レンガを昇温させて熱エネルギーを蓄積し、該燃焼期に引き続く送風期において、炉内に冷風を通して珪石レンガとの熱交換によって熱風を生成し、該燃焼期および該送風期を繰り返し実行することによって高炉に熱風を供給する熱風炉の燃焼制御装置であって、
前記送風期終了時の珪石レンガの温度を計測する計測手段と、
前記計測手段によって計測された珪石レンガの温度が下限温度未満であるか否かを判別する判別手段と、
前記判別手段によって珪石レンガの温度が下限温度未満であると判別された場合、珪石レンガへの投入熱量を変化させることなく、送風期に引き続く燃焼期の際に供給する燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させる制御手段と、
を備えることを特徴とする熱風炉の燃焼制御装置。
【請求項１】
燃焼期において、燃焼ガスにより炉内の珪石レンガを昇温させて熱エネルギーを蓄積し、該燃焼期に引き続く送風期において、炉内に冷風を通して珪石レンガとの熱交換によって熱風を生成し、該燃焼期および該送風期を繰り返し実行することによって高炉に熱風を供給する熱風炉の燃焼制御方法であって、
前記送風期終了時の珪石レンガの温度を計測する計測ステップと、
前記計測ステップにおいて計測された珪石レンガの温度が下限温度未満であるか否かを判別する判別ステップと、
前記判別ステップにおいて珪石レンガの温度が下限温度未満であると判別された場合、珪石レンガへの投入熱量を変化させることなく、送風期に引き続く燃焼期の際に供給する燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させる制御ステップと、
を含むことを特徴とする熱風炉の燃焼制御方法。
【請求項２】
燃焼期において、燃焼ガスにより炉内の珪石レンガを昇温させて熱エネルギーを蓄積し、該燃焼期に引き続く送風期において、炉内に冷風を通して珪石レンガとの熱交換によって熱風を生成し、該燃焼期および該送風期を繰り返し実行することによって高炉に熱風を供給する熱風炉の燃焼制御装置であって、
前記送風期終了時の珪石レンガの温度を計測する計測手段と、
前記計測手段によって計測された珪石レンガの温度が下限温度未満であるか否かを判別する判別手段と、
前記判別手段によって珪石レンガの温度が下限温度未満であると判別された場合、珪石レンガへの投入熱量を変化させることなく、送風期に引き続く燃焼期の際に供給する燃焼ガスの流量およびカロリーをそれぞれ増加および減少させる制御手段と、
を備えることを特徴とする熱風炉の燃焼制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−９６００２（Ｐ２０１３−９６００２Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４２６８０（Ｐ２０１１−２４２６８０）
【出願日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
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